Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние изучаемого вопроса, цель и задачи исследования 10
1.1 Актуальность проблемы смешивания компонентов при приготовлении кормов 10
1.2 Анализ конструкций для смешивания компонентов корма 15
1.3 Смешивание - операция приготовления кормов 23
1.4 Тенденции моделирования процесса смешивания 31
1.4.1 Виды моделирования процесса смешивания 34
1.4.2 Теоретические основы определения мощности и однородности... 36
1.5 Анализ надежности работы смесителей 43
1.6 Анализ видов зубчатой передачи 45
1.7 Цель и задачи исследования 47
Глава 2 Математическое описание процесса смешивания сыпучих и влажных кормов 49
2.1 Методики математического моделирования 49
2.2 Формирование параметров процесса 51
2.2.1 Физико-механические параметры 51
2.2.2 Конструктивно-технологические параметры 55
2.2.3 Режимно-кинематические параметры 57
2.3 Формирование выходных качественно-энергетических параметров 59
2.4 Выводы по главе 65
Глава 3 Методика определения показателей процесса смешивания 66
3.1 Описание установки лабораторного смесителя 66
3. 2Методика определения физико-механических показателей процесса 70
3.3 Методика определения режимно-кинематических показателей 76
3.4 Методика определения качества приготавливаемой смеси 77
3.5 Методика определения мощности, расходуемой на смешивание 78
3.6 Методика обработки экспериментальных исследований 80
3.7 Выводы по главе 81
Глава 4 Методы определения надежности шнеково-лопастного смесителя 82
4.1 Показатели надежности 82
4.2 Модель расчета надежности 83
4.3 Надежность зубчатой передачи 84
4.4 Методика расчета характеристик надежности технических систем 91
4.5 Методика расчета на прочность цилиндрической зубчатой передачи 98
4.6 Выводы по главе 101
Глава 5 Результаты экспериментальных исследований процесса смешивания 102
5.1 Программа экспериментальных исследований 102
5.2 Настройка лабораторной установки 113
5.3 Результаты экспериментальных исследований 114
5.4 Обработка экспериментальных результатов 120
5.5 Построение графических зависимостей и их анализ 123
5.6 Выводы по главе 129
Глава 6 Технико-экономическое обоснование процесса смешивания 130
6.1 Методика инженерного расчета 130
6.2 Расчет экономической эффективности 132
6.3 Выводы по главе 141
Общие выводы 142
Список использованных источников 144
Приложения 157
- Актуальность проблемы смешивания компонентов при приготовлении кормов
- Физико-механические параметры
- 2Методика определения физико-механических показателей процесса
- Методика расчета характеристик надежности технических систем
Введение к работе
Актуальность проблемы.
В современных условиях рыночной экономики, наличия конкуренции важно правильно подобрать кормосмеси для эффективного выращивания животных, поэтому жесткие требования, предъявляемые к качеству, вполне оправданы. Кормосмеси должны быть чистыми, легко усваиваться и перевариваться, содержать добавки и вещества, благоприятно влияющие на качество животноводческой продукции.
В настоящее время выпускаются кормосмеси, обогащенные витаминами, микро- и макроэлементами, ферментами, биостимуляторами и прочими лечебно-профилактическими препаратами. Приготовление кормосмесей - сложный технологический процесс.
Необходимое качество смесей, приготавливаемых на стандартных конструкциях смесителей, иногда не обеспечивается. Имеющееся оборудование для приготовления кормосмесей используется неэкономично и малоэффективно, с большими затратами энергии.
Повышение требований к однородности смесей вызывает необходимость создания новых конструкций смесителей, которую необходимо осуществлять на базе внедрения прогрессивных технологий, комплексной механизации и автоматизации процессов с использованием новой техники.
Цель исследования.
Повышение эффективности процесса смешивания с разработкой конструкции, позволяющей улучшить качественно-энергетические показатели.
Объект исследования.
Процесс смешивания сыпучих и влажных кормосмесей в шнеково-лопастных смесителях.
Предмет исследования.
Закономерности взаимодействия рабочих органов с сырьем в процессе смешивания в шнеково-лопастных смесителях.
Задачи исследования:
Дать оценку состояния вопроса получения однородных смесей в смесителях механического действия.
Разработать математическую модель и определить параметры, влияющие на процесс смешивания.
Разработать и обосновать новую конструкцию шнеково-лопастного смесителя, позволяющую получать кормосмеси высокой степени однородности при низких энергозатратах.
Определить комплекс конструктивно-технологических показателей надежности шнеково-лопастных смесителей.
Провести теоретические и экспериментальные исследования процесса смешивания сыпучих и влажных кормов на предлагаемой конструкции.
Дать экономическую оценку эффективности использования шнеково-лопастных смесителей.
Научная новизна работы: по специальности 05,20.01
математическая модель процесса смешивания сыпучих и влажных кор-мосмесей;
зависимости выходных качественно-энергетических показателей от ре-жимно-кинематических, конструктивно-технологических, нагрузочно-проч-ностных и физико-механических параметров процесса;
область оптимальных решений, каждая точка которой позволяет эффективно проводить процесс смешивания в шнеково-лопастных смесителях;
по специальности 05.20.03
- алгоритм расчета комплекса показателей надежности смесителей, вы
полненный с учетом декомпозиционного подхода.
Практическая ценность работы: по специальности 05.20.01
научно обоснованная и защищенная патентом РФ № 2301106 конструкция смесителя;
результаты исследований функционирования предлагаемого шнеково-лопастного смесителя для кормосмесей влажностью 14 и 22 %;
по специальности 05.20.03
- программа для определения комплекса показателей надежности смесите
лей (свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ
№2007611645).
Апробация работы.
Основные результаты исследований доложены и одобрены на:
II Международной НТК «Проблемы исследования и проектирования машин», Пенза, 2006 г.;
X Международной НІЖ «Научно-технический прогресс в животноводстве ~ машинно-технологическая модернизация отрасли», Подольск, 2007 г.;
IV Международной НТК «Проблемы исследования и проектирования машин», Пенза, 2008 г.;
научных конференциях Оренбургского государственного аграрного университета (2006-2009 гг.).
Реализация результатов работы.
Разработанная конструкция устройства для смешивания внедрена в кре-стьянско-фермерском хозяйстве «Урочище Кучеров» Илекского района Оренбургской области. Результаты исследований используются в учебном процессе кафедры механизации животноводства ОГАУ.
На защиту выносятся:
Разработанная модель процесса смешивания сыпучих и влажных кормосмесей.
Конструкция лабораторного смесителя с рабочим органом, состоящим из шнека и лопастей.
Методика расчета надежности шнеково-лопастного смесителя с учетом декомпозиционного подхода.
Область оптимальных решений процесса смешивания.
5. Программа по определению комплекса показателей надежности смесителей.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 10 научных и учебно-методических трудах. Получен патент и свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, общих выводов, списка использованной литературы, приложений, изложена на 156 страницах машинописного текста, содержит 39 рисунков, 18 таблиц, 5 приложений. Список литературных источников содержит 130 наименований, в т.ч. 6 на иностранном языке.
Актуальность проблемы смешивания компонентов при приготовлении кормов
Корма — основа развития животноводства. Корма являются необходимыми для жизни животных. Они используются животными как источник энергии для образования новых тканей, продукции животноводства [39]. Корма должны удовлетворять различным требованиям животных в пище. Для того чтобы узнать, питательны корма или нет, необходимо изучить их состав, а также переваримость и усвояемость животными. Все корма независимо от вида и назначения должны удовлетворять следующим требованиям [100]: — содержать максимальное количество питательных веществ, необходимых для развития животных; — не содержать вредных и ядовитых веществ, оказывающих отрицательное воздействие на состояние здоровья животных; — иметь привлекательный внешний вид, соответствовать цвету и запаху; — отличаться высокими вкусовыми качествами; — быть пригодными для длительного хранения в натуральном или консервированном виде. Согласно Зариповой Л.П. [39] можно рассмотреть состав корма по схеме на рис. 1.1. Из схемы видно, что основными компонентами корма являются вода и сухое вещество. Количество воды в кормах может быть различно и колеблется от 5 до 95 %. Вода является показателем питательности корма: чем больше в корме воды, тем ниже его питательность. Сухое вещество состоит из органических соединений и минеральных веществ. Большая доля сухого вещества, 95 - 98 % состоит из органических веществ, которые дают животным не только основные питательные вещества (безазотистые экстрактивные вещества, протеин, жир, клетчатка), но и специфические соединения (витамины, ферменты). Минеральные вещества играют важную роль в жизнедеятельности организма, их недостаток снижает продуктивность животных, задерживает рост молодняка. Витамины необходимы для нормальной жизнедеятельности, их недостаток или отсутствие вызывает тяжелые заболевания, которые ослабляют организм, тормозят рост и развитие животных. Известно, что многие корма состоят из различных компонентов, поэтому приготовление питания для животных не может обойтись без такой операции как смешивание, то есть приготовления однородной массы для кормления животных [2, 6, 7, 43]. Эффективность от разведения животных напрямую связана с рационом кормления, которое невозможно без качественного смесеобразования [56, 63, 80]. Развитие кормопроизводства является основной задачей в наращивании продукции животноводства, которое невозможно без качественного смесеобразования. Этот процесс необходимо осуществлять на базе внедрения прогрессивных технологий, комплексной механизации и автоматизации процессов с использованием новой техники [59]. Комбикорма - сложная однородная смесь различных кормовых веществ, которые предварительно очищают, измельчают и подбирают по рецептам для наиболее эффективного использования животными питательных веществ [27, 49]. Количество компонентов, входящих в состав комбикорма, может доходить до 20 и более. В зависимости от назначения различают полнорационные комбикорма, комбикорма концентраты, кормовые смеси, кормовые добавки и другие [104]. При кормлении животных и птицы значение комбикормов очень велико. Отечественная и мировая практика показывает, что применение полноценных комбикормов позволяет получать от животных максимальное количество продукции, одновременно снижая затраты на производство молока, мяса, яиц. Опытные данные показывают [29, 77, 104], что одно из главных условий экономного и эффективного расходования концентратов — подготовка их перед скармливанием скоту. Например, эффективнее использовать зерно в составе комбикорма, чем в натуральном виде. Переработка зерна в комбикорм позволяет увеличить выход продукции животноводства на 20 - 30 %. Так как кормосмеси существенно влияют на привес животных, то главная задача состоит в том, чтобы кормовые добавки были равномерно смешаны с основной кормовой массой. Наиболее эффективным способом равномерного распределения кормовых добавок является предварительное смешивание. Смешивание - процесс соединения объемов различных веществ с целью получения однородной смеси, т.е. создания равномерного распределения частиц каждого компонента во всем объеме смеси путем перегруппировки их под действием внешних сил. Смешивание применяется также для интенсификации процессов теплообмена и массообмена [80, 92, 102, 105]. Также необходимость операции смешивания различных компонентов для получения однородной смеси в процессе приготовления сыпучих и жидких кормов отмечают многие авторы научных работ [13, 36, 46, 61, 76, 94, 95]. В технологических процессах приготовления кормов применяют механическое смешивание. Для получения однородных смесей применяют смесители с рабочими органами - мешалками. По конструкции смесители разнообразны, для выполнения одной и той же задачи смешивания используются конструктивно разные смесители [50, 69]. Гораздо проще получить систему «жидкость - жидкость» в виде раствора или однородной эмульсии. Несколько труднее получить устойчивую взвесь (суспензию), представляющую смесь жидкой фазы с твердой. Кормовые смеси, кроме жидких, представляют собой механические системы сыпучих материалов, крайними состояниями которых являются полное смешивание или полное распределение. Идеальный случай полного смешения частиц двух компонентов представлен на рис. 1.2а [105]. Все пробы, взятые из смешанного слоя, должны иметь одинаковый состав. Но достигнуть такого состояния в результате механического смешивания нельзя, а можно получить только попеременным укладыванием частиц двух компонентов (упорядоченное состояние).
Физико-механические параметры
Все перечисленные виды смесителей имеют свои преимущества и недостатки, но, несмотря на это, все смесители нашли применение в промышленности. Согласно Стренка Ф. [105] при выборе необходимого типа смесителя нужно рассмотреть ряд факторов, влияющих на решение: - степень однородности смеси. Это основной параметр, так как смеситель должен гарантировать заданную степень однородности смеси. - время смешивания. Этот параметр нужно подобрать так, чтобы процесс смешивания не был очень долгим, так как в технологический процесс приготовления корма включены другие операции. — мощность, расходуемая на смешивание. - очистка аппаратуры. Смешивание или перемешивание является распространенным процессом в химической, медицинской, строительной, сельскохозяйственной промышленности, а также в повседневной жизни, поэтому основной целью при смешивании сыпучих и влажных компонентов является получение максимально однородной смеси при минимальных энергозатратах [19]. Смешивание может протекать самопроизвольно, например, за счет диффузии компонентов, или принудительно, вследствие подачи механической энергии, например с помощью мешалок [105] Смешивание - технологическая операция приготовления кормовых смесей, которая осуществляется в специальных устройствах — смесителях периодического или непрерывного действия [59]. Термин «смешивание» означает соединение объемов различных веществ с целью получения однородной смеси. Согласно Ф. Стренка механическое перемешивание производится с целью: а) создания однородных растворов, эмульсий и суспензий; б) интенсификации процессов теплообмена; в) интенсификации процессов массообмена (физического, или в соче тании с химической реакцией). В необходимых случаях смешивание совмещают с измельчением компонентов смеси, а также можно получить дополнительный эффект путем интенсификации взаимодействия смешиваемых частиц корма для получения более однородной массы [60]. Кормовые смеси делятся на сыпучие, влажные и жидкие. Они повышают усвояемость животным питательных веществ, входящих в состав смеси. Для получения положительного эффекта необходимо обеспечить качественное приготовление кормосмесей в соответствии с нормами и зоотехническими допусками. Как известно, технология приготовления смесей распространена в разных отраслях промышленности и животноводства, но, тем не менее, процесс смешивания кормов является сложным и малоизученным [69, 81, 88, 99,122]. Как отмечает ряд исследователей [20, 33, 52, 53, 69, 105, 123], сложнее всего прогнозировать результат обработки материалов в процессе смешивания так называемых сыпучих материалов, например зерна злаковых культур. Несмотря на то, что во многих отраслях промышленности и животноводстве твердые материалы перерабатываются давно, смешивание сыпучих материалов и до сегодняшнего дня остается мало изученным физическим процессом [69, 81, 99] . Основной причиной является неоднозначная трактовка понятия «сыпучий материал» и «смесь сыпучих материалов». Существуют физические тела, которые состоят из совокупности отдельных однородных частиц (зернистые и порошкообразные материалы), которые по своим физическим свойствам занимают промежуточное положение между твердыми телами и жидкостями [9, 21, 54, 65, 67]. У жидкостей частицы более подвижны, сопротивление сдвигающим усилиям небольшое, отсутствует постоянная форма, но вместе с тем и сыпучий материал также занимает любую форму. В этом заключается сходство. В отличие от твердых тел, сыпучие отличаются подвижностью частиц, способностью сохранять форму только в известных пределах, свойством оказывать давление на ограждающую поверхность, незначительной способностью сопротивляться растяжению, но подвержены сдвигу. Поэтому сыпучий материал занимает промежуточное место между жидкостями и твердыми телами. Режимы смешивания кормов базируются на экспериментальных данных, полученных на конкретных смесительных установках в определенных условиях [60]. Но, несмотря на различия в составе, все кормовые смеси обладают некоторыми общими свойствами и зависимостями, позволяющими оценивать и управлять процессом смешивания, определять необходимость данного смесителя для достижения заданной цели [58].
Многие исследователи (Ю.И. Макаров [69], П.Ф. Овчинников [84, 85], Н.Б. Урьев [109], И.Н. Шубин [122]) рекомендуют рассматривать следующие физико-механические свойства: гранулометрический состав, насыпная плотность, влажность, текучесть, угол естественного откоса, адгезия, сле-живаемость.
2Методика определения физико-механических показателей процесса
Выбор теоретического закона распределения. На основе расчета эмпирических характеристик строятся гистограммы распределения плотности, интенсивности отказов и вероятности безотказной работы как функции наработки. Исходя из внешнего вида гистограмм, их схожести с известными законами распределения и физической природы появления отказа, структуры изделия, условий и режимов эксплуатации, принимается гипотеза о виде теоретического распределения отказов.
Экспоненг иалъное распределение. Причины отказов — внезапные концентрации нагрузок внутри или вне объекта. Отказ наступает при превышении нагрузкой допустимой величины, интенсивность отказов здесь не зависит от наработки. Такое распределение характерно для большого класса внезапных отказов, появляющихся без каких-либо предшествующих симптомов. Близки к экспоненциальному распределению отказы объекта, состоящего из большого числа элементов, вероятности отказов которых малы.
Нормальное распределение. Это распределение имеет случайная величина, представляющая собой сумму большого числа независимых случайных величин, причем все они в общей сумме играют относительно малую роль. В практике эксплуатации нормальное распределение характерно для отказов, связанных с накоплением повреждений в материале конструкции, происходящем с постоянной или примерно постоянной скоростью развития. Такими отказами могут являться износы, старение материалов, наклеп, происходящие с постоянной скоростью.
Логарифмически-нормальное распределение. Этому распределению могут подчиняться отказы, имеющие следующую причину. Каждое воздействие внешней нагрузки приводит к накоплению повреждений в материале детали. При этом величина добавляемого повреждения пропорциональна уже накопленному. Отказ наступает при превышении накопленного повреждения определенной величины. Примером такого отказа могут служить усталостные разрушения деталей технических систем.
Распределению Вейбулла обычно отвечает физическая модель так называемого «слабого звена». Объект представляется состоящим из большого числа элементов, накопление повреждений в которых идет независимо друг от друга. Отказ объекта наступает при отказе одного любого элемента. При этом независимо от типа распределения отказов каждого элемента, распределение отказов объекта будет Вейбулловским. Оно хорошо описывает усталостную долговечность транспортных конструкций и приработочные отказы.
Распределение Рэлея характерно для объектов, имеющих интенсивные износы, старение, накопление повреждений. Равномерное распределение применяется, если отсутствуют физические предпосылки, приводящие к вышеперечисленным моделям, а гистограмма плотности не имеет явно выраженной тенденции к увеличению или уменьшению. Определение неизвестных параметров закона распределения. Исходя из вида выбранного закона распределения отказов, выбирается метод определения неизвестных параметров. Для нахождения параметров экспоненциального закона распределения и закона распределения Вейбулла рекомендуется применять метод максимума правдоподобия. разбиения вариационного ряда плюс единица, так как добавляется интервал от Т (tN) до +со: где s - число параметров закона распределения. Оценку согласованности распределений производят, задаваясь уровнем значимости а, выраженной в процентах максимально допустимой вероятности того, что гипотеза отвергнута неправильно. Рекомендуемые уровни значимости -1,5, 10%. Задавшись а, по величине Р=1-а и г, по таблице распределения находится критическое значение %2кр. Если величина U", рассчитанная по формуле (4.15), попадает в критическую область (%2щ ; +00) т0 гипотеза о виде закона распределения отвергается и вероятность того, что гипотеза отвергнута ошибочно, не будет превышать а. Принимается гипотеза о другом виде распределения, и расчеты повторяются. После проверки правильности выдвинутой гипотезы о виде закона распределения строятся графики теоретического распределения. Строятся графики для характеристик i{t), X{i) и P{f) в интервале времени 0- (1,5-2) tp. Оценка надежности объекта. Осуществляется путем сравнения расчетных и нормативных значений некоторых показателей надежности. Как правило, в качестве таких показателей принимается наработка до первого отказа ty при заданном значении нормативной вероятности безотказной работы у, либо по величине коэффициента Кюоо равному числу отказов на 1000 часов наработки. Определение критерия надежности цилиндрической зубчатой передачи, используемой в шнеково-лопастном смесителе, проводилось по следующим параметрам: - время наблюдения 4=1440 часов; - число изделий N=42; - число неисправных изделий и=8; - время наработки до отказов отдельных экземпляров tx: 150, 270, 310, 420, 572,740, 1150, 1350 часов. Интервал наработки 0...1440 часов разбиваем на разряды по правилу Старджена: k=l+3,31g8=3,98. Число разрядов принимаем равным 4 величиной Д =360 ч. В интервале от 0 до 360 часов наблюдался только один отказ, поэтому объединяем его с соседним и получаем новый интервал от 0 до 720 часов. Число разрядов при этом будет равно 3.
Методика расчета характеристик надежности технических систем
В современных условиях рыночной экономики возникает необходимость в таких конструкциях смесителей, потребление электроэнергии которых должно быть минимальным, а процесс смешивания оставался на должном уровне. Анализируя существующие конструкции механических смесителей, делаем вывод, что это не всегда удается из-за недостаточной эффективности от рабочих органов, которая приводит к: - увеличению продолжительности смешивания; - снижению однородности. Поэтому было предложено новое техническое решение данного вопроса, а именно разработана конструкция корпуса и внутренние рабочие органы, состоящие из шнека и насадки, которые позволили улучшить процесс смешивания. На новую конструктивную разработку получен патент № 2301106 и решение о выдаче патента на изобретение по заявке № 2006121276/15. В таблице 6.1 представлен диапазон параметров механического смесителя, таких как режимных, кинематических, конструктивных, которые явились определяющими для выходных параметров, указанных в таблице 6.2. Приготовление кормовых смесей в механических смесителях периодического действия наиболее целесообразно в связи с тем, что продукция выпускается небольшими партиями, с часто меняющимся рецептурным составом. Полученная в результате смесь должна соответствовать установленным нормам, иметь определенное соотношение компонентов в смеси и определенный гранулометрический состав. Необходимость постоянного ре 130 гулирования технологических параметров процесса смешивания диктует поиск конструктивных решений методики инженерного расчета, которая позволила в любой момент времени, в любых условиях, быстро и точно определить диапазон задаваемых параметров, обеспечивающих приготовление смеси с заранее гарантированными свойствами. Эффективность разработанного процесса механического смешивания зависит от увеличения однородности кормовой смеси, при этом используются результаты зоотехнического эксперимента, в результате которого установлено, что приращение степени однородности ЛМ-1% соответствует экономии двадцать три рубля при скармливании одной тонны комбикорма за счет привеса. Также зависит от снижения энергоемкости процесса за счет использования разработанных рабочих органов, состоящих из шнека и насадки со сменными лопастями. По результатам зоотехнического эксперимента Комарова [55] установлено, что приращение степени однородности ЛМ-1% соответствует эко 132 номии двадцать три рубля при скармливании одной тонны комбикорма за счет привеса, по ценам 2008 года. При снижении продолжительности цикла приготовления кормосмеси происходит повышение производительности смесителя. При расчете экономической эффективности [112] при приготовлении кормосмеси влажностью 14%, в качестве базового варианта предлагается использовать прототип смесителя, используемый в комбикормовой промышленности, а в качестве альтернативного варианта — модернизированная экспериментальная установка.
